节水灌溉对稻田杂草多样性的影响

1淹灌和间歇灌溉对晚稻田杂草群落多样性的影响*邱佩，崔远来※，韩焕豪，刘博（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072）摘要：为探明节水灌溉对水稻不同生育期杂草群落组成及物种多样性的影响，该文运用群落生态学方法，研究淹灌与间歇灌溉2种不同灌溉模式下水稻不同生育阶段稻田杂草群落动态变化。对杂草密度、优势种类、重要值、群落数量和多样性的比较发现：间歇灌溉和淹灌稻田杂草种类分别为10科13属14种、10科11属11种，碎米莎草（Cyperusiria）、泥花草（Linderniaantipoda）和异型莎草（C.difformis）在淹灌稻田中没有出现。间歇灌溉中杂草密度降低，各生育期杂草密度降低1.2%~53.2%，平均降低27.8%；2种灌溉模式下稻田优势杂草种类基本一致，分别为矮慈姑（Sagittariapygmaea）、千金子（Leptochloachinensis）、浮萍（Lemnaminor）、紫云英（Astragalussinicus），其它杂草为非优势种，各优势种重要值比较，平均依次为0.39、0.20、0.17、0.09。间歇灌溉有效地抑制了稻田优势种杂草生长，更利于杂草的控制，阔叶类杂草矮慈姑重要值降低了9.76%，单子叶杂草浮萍重要值降低了65.38%。此外，间歇灌溉稻田以旱生杂草生长为主，发生量较大，而淹灌稻田以水生杂草为主，间歇灌溉总体各生育期增加了旱生杂草群落密度277.51%，主要降低了水生群落密度，由344.81株·m-2降低到63.98株·m-2，平均降低了81.44%。与淹灌相比，间歇灌溉模式下Margalef物种丰富度指数、Shannon-Wienner多样性指数、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数均有不同程度的提高，平均分别提高27.01%，14.31%，9.09%，3.48%。在乳熟期，两种灌溉模式杂草群落结构指数发生显著性差异。本文的研究结果可为制定兼顾控制优势杂草危害和保护杂草多样性的节水灌溉制度提供科学依据关键词：灌溉；晚稻；杂草；优势种；多样性中图分类号：S507；S451；S314文献标识码：A邱佩，崔远来，韩焕豪，刘博.淹灌和间隙灌溉对晚稻田杂草群落多样性的影响[J].农业工程学报，2015,31.QiuPei,CuiYuanlai,HanHuanHao,LiuBo.Effectoffloodingandintermittentirrigationsonweedcommunitydiversityinlatericefields[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2015,31.0引言水稻是中国的主要粮食作物，也是耗水量最大的作物。传统的淹水灌溉，不但耗水，还导致大量的水肥流失，造成土壤潜育化、稻田冷浸、农业产量降低[1]。水稻间歇灌溉可以实现节水与高产的统一[2]。在水资源紧缺[3]、稻田环境污染日趋加剧的前提下，节水灌溉对于生态环境的影响逐步显现。研究表明节水灌溉能减轻稻田水土环境污染，提高土壤透气性，改善田间小气候和改善水稻病虫害[4-6]。与淹灌相比，节水灌溉“薄水层-湿润-短暂落干”循环状态的田间水分管理，将带来稻田生态系统功能的变化。节水灌溉下的稻田干湿交替生境必定引起田间杂草生境变化，同时影响着田间各种杂草的生长，进而影响田间杂草的生物多样性。杂草是稻田生态系统的生物组分，与作物之间存在对光照、土壤养分与水分等资源的竞争[7]。杂草又是维持稻田生态系统生态平衡的重要一环，不合理的管理不仅会使其影响作物生长与产量，也不利于生态系统功能的正常发挥。保护杂草生物多样性对于保护天敌、控制害虫、防止土壤侵蚀、促进养分循收稿日期：2015-06-13修订日期：2015-09-10*基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20130141110014）；中美国际合作项目（20111017）作者简介：邱佩，女，湖北孝感人，主要从事节水灌溉及其生态环境效应。武汉武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，430072。Email：[e-mail]※通信作者：崔远来，男，江西武宁人，教授，主要从事节水灌溉理论与技术研究。武汉武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，430072。Email：[e-mail]2环、消除环境污染等都有着不可替代的作用[8]。目前，有关田间杂草生物多样性的研究大多是针对不同施肥方式、轮作条件、耕作制度、种植模式、除草措施[9-16]等，诸如，平衡施用N、P、K肥，不仅降低了田间杂草的总密度，降低了优势杂草在群落中的比重，而且有利于维持农田生态系统的生物多样性[10]；水旱轮作和旱连作两种种植制度下的棉田杂草群落结构和种群数量差异显著[11-12]；稻鸭共作显著降低了田间杂草的发生密度，降低了原来优势杂草的发生危害，总体控草效果显著优于化学除草和人工除草[13]；地膜水稻种植模式不仅对稻田常见杂草和优势种杂草有一定的控制作用，而且也使整个杂草群落处于一个稳定水平[15]；不同除草措施，稻田杂草群落的结构组成也发生一定的变化，化学除草对果园杂草多样性的影响最大[16]等等，而相关研究很少涉及水分管理措施对田间杂草多样性的影响，事实上节水灌溉改变稻田杂草的生长环境[17]，方荣杰[18]的研究反映了非充分灌溉对稻田杂草数量及植株生长的影响，即非充分灌溉条件下的田间水层对抑制杂草生长的生态作用是明显的。本文以间歇灌溉为例，研究节水灌溉对水稻不同生育期杂草群落组成及物种多样性的影响，以期为节水灌溉稻田杂草控制及多样性保护提供科学依据。1材料与方法1.1试验地概况试验于2014年在江西省灌溉试验中心站试验田中开展（116°00'E、28°26'N），海拔为22m，该地属于鄱阳湖流域赣抚平原灌区，为典型的亚热带湿润季风性气候区，多年平均气温18.1℃，平均蒸发量1139.0mm，平均降雨量1634.3mm，年平均日照1720.8h。供试土壤为粉壤土，容重1.34g/cm3。耕层土壤全氮1.02g/kg，全磷0.29g/kg，速效钾74.8mg/kg，有机质17.33g/kg，pH值6.8。试验区作物种植结构为早稻-晚稻-紫云英。早稻生育期为4月下旬至7月中旬，通常降雨丰富，全生育期降雨量804mm，仅需灌水1~3次；而晚稻生育期为7月末至10月中旬，正值夏季，气温炎热，雨量少，全生育期降雨量为94.2mm，为满足作物需水，需要多次灌溉，灌水次数高达13次，不同灌溉措施对稻田杂草影响较大。为研究不同灌溉方式对杂草多样性的影响，在2014年晚稻生育期进行田间试验，水稻品种为特优923。1.2试验设计设置传统淹水灌溉和间歇灌溉2个处理，各处理各设3次重复，分别布置在面积为75m2的小区中，各小区随机排列，小区间以水泥埂隔离。两种灌溉模式水分管理设计如表1所示：淹水灌溉稻田长期处于浅水状态，至田面无水层时再灌水，分蘖后期晒田[4]。间歇灌溉主要采取浅水层、干露（无水层）相间的灌溉方式，从分蘖前期开始，当田面落干无水层后过3d再灌水，灌至20mm水深，如遇降雨则蓄至50mm。表1试验水分管理设计Table1Experimentaldesignforwaterinfield（mm）灌溉模式IrrigationpatternsRGETLTJB-HF-MKYR淹水灌溉Floodingirrigation(FI)0~20~400~20~500~20~50后期晒田0~20~50自然落干间歇灌溉Intermittentirrigation(II)5~20~40无水层后3d~20~50无水层后3d~20~50后期晒田无水层后3d~20~50自然落干注：RG、ET、LT、JB、HF、MK、YR分别为返青期、分蘖前期、分蘖后期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期、黄熟期；下同。Note:RG,ET,LT,JB,HF,MK,andYRarereturninggreen,earlytillering,latetillering,jointing-booting,headingflowering,milkyandyellow-ripeningstages,respectively;Sameasbelow.两种灌溉模式采用相同的田间管理：水稻插秧后大概5d施除草剂1次，除草剂为40%苄·二氯可湿性粉剂，主要控制稗草、异型莎草、碎米莎草、鸭舌草，按450g/hm2施用，之后不再施用任何除草剂；整个生长期施用2次杀虫剂（有苯甲·丙环唑、苏云金杆菌、氟虫腈）。肥料品种为含45%（质量分数，下同）纯氮的复合肥，施氮量180kg/hm2，其中基肥占50%，移栽后10d追施50%分蘖肥，即氮肥施肥比基肥：蘖肥=1：1。各处理磷、钾肥施用标准相同，其中磷肥为67.5kg/hm2（以P2O5计），磷肥全部作基肥施用，品种为钙镁磷肥；钾肥为150kg/hm2（以K2O计），钾肥按基肥：穗肥=9：11比例施用，肥料种类为KCl。31.3杂草取样及测定方法试验区晚稻生育期为2014年7月26—10月20日。由于返青期田间覆盖水层，杂草生长尚未成熟，本试验从分蘖前期开始调查田间杂草状况。从8月7日开始，每隔14d，对各小区水稻分蘖前期、分蘖后期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期和黄熟期各调查一次，共调查6次。在每个小区随机设置3个1m2的样方，调查杂草的种类、密度和盖度。1.3测定方法杂草盖度采用目视估测法中常用的网格估测法[19]测定，基本格子大小为0.1m×0.1m，估算格子内杂草覆盖所占的比例，并扩展到1m2样方。杂草种类鉴定以《中国杂草志》[20]为依据，个别不能鉴定的杂草标本带回室内鉴定，并通过《中国植物志》电子版[21]中的内容描述进行比对。杂草优势度，用以表示一个种在群落中的地位与作用，用相对密度（RD）衡量，即样方中某种杂草的密度占所有杂草总密度的比例，相对密度≥10%为优势种类。杂草分布与个体株数、其占据的空间和发生的频率有关，使用重要值取代物种相对密度来计算物种多样性指数[22,23]。杂草重要值作为一种综合性指标，综合考虑了杂草密度、盖度和频度的共同影响，能充分的反映杂草群落的生态特征。其值大小作为衡量群落中杂草的相对重要程度指标，可用来评价杂草的危害程度[24,25]：Pi=(RD+RF+RC)/3（1）式中：Pi为各小区中1m2样方内第i种杂草的重要值；RF为相对频度，即某小区杂草出现的样方数占小区所有杂草出现的总样方数的比例，%；RC为相对盖度，即样方中某杂草的盖度占所有杂草总盖度的比例，%。杂草的生物多样性指数采用4个常见指数表征：Margalef物种丰富度指数（DMG），Shannon-Wienner多样性指数（H′）、Simpson优势度指数（S）、Pielou物种均匀度指数（E），其测度公式[22,23]为：DMG=（K-1）/lnN（2）1'(ln)KiiiHPP（3）211KiiSP（4）'/lnEHS（5）式中：N为各小区中1m2样方内所有杂草的总数量；K为各小区中1m2样方内杂草种类数量。运用Excel进行数据处理，使用SPSS17.0系统软件进行数据分析，分析前先将杂草密度x转换为X：X=log(x+0.5)（6）2结果与分析2.1不同灌溉模式对杂草种类和密度的影响如表2所示，间歇灌溉和淹灌稻田杂草种类分别为10科13属14种、10科11属11种，间歇灌溉杂草种类数明显大于淹灌，碎米莎草（Cyperusiria）、泥花草（Linderniaantipoda）和异型莎草（C.difformis）在淹灌稻田中没有出现。从表中可以看出，2种灌溉模式下在晚稻分蘖前期杂草密度相差并不大，随着水稻的生育期推进，田间杂草密度均随水稻生长逐渐增加，在黄熟期达到最大值，淹灌和间灌分别为948.56株·m-2、598.56株·m-2。2种灌溉处理间杂草密度差异也大致